Цифровой измеритель температуры

 

Союэ Советских

Социалистических

Республик

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

»»949351 (61) Дополнительное к авт, свил-ву (22)»« «o 30. 01;81 (21 ) 3240864/18-10 (5I)M. Кл.

G 01 К 7/14 с присоединением заявки М—

1Ъеударстеелные кемнтет

СССР ио делам нзаеретенн11

Il атхрытнй (23) Приоритет— (53) УДК 536.532 (088. 8) Опубликовано 07. 08. 82, Бюллетень М29

Дата опубликования описания 07.08.82 гулыга, Н. И. Грибок, В. И. Зории ° t. Н Огйрй о

В. И. Пуцыло, Е. И. Шморгун, В. А. Яцук и (72) Авторы изобретения

И. М.. Гулька

Ь 11

Львовский ордена Ленина политехнический илюху им. Ленинского комсомола и Приборостроительный завод "Иукачевприбор" (71) Заявители (5") ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использо"вано при построении цифровых термометров с автоматической компенсацией термо-ЭДС свободных концов термоэлектрического термометра.

Известны способы и устройства для компенсации изменения термо-ЭДС1термоэлектрического термометра при изменении температуры его свободных кон.- to цов, например, путем учета поправки на температуру свободных концов или путем термостатирования свободных концов с применением пассивных или активных термостатов и удлиняющих тер15 моэлектродных проводов (1) и Г21.

Однако этим техническим решениям присущи существенные недостатки, заключающиеся в том, что при учете поправки к результату измерения необхо-2о димо измерять температуру свободных концов и, пользуясь градуировочной характеристикой термоэлектрического термометра, расчетным путем корректировать результат измерения. Такой способ трудно поддается автоматизации и требует измерения температуры свободных концов.

При стабилизации температуры свободных концов Ос необходимо применять пассивные термостаты, например сосуды Дьюара, наполненные тающим льдом (если поддерживать 8 = ОоC) или кипятильники (если поддерживать

ebs = 100оC).

Применение пассивных термостатов оправдано в лабораторных условиях, но сопряжено с большими трудностями и неудобствами при их эксплуатации в промышленных условиях. Пассивные термостаты на .Я@, отличающиеся от

0 ели 100 С, обладают низкой трчноо стью.

Применение активных термостатов предполагает разработку специальных устройств с автоматическим поддержанием температуры, а при высокой точности стабилизации эти устройства

3 949351 значительно усложняются и удорожаются. При этом в процессе эксплуатации они не всегда удобны.

Применение термостатов предполагает использование удлиняющих термоэлектрических проводов, так как необходимо удалить свободные концы от объекта измерения. Для достижения достаточно высокой точности измерений необходимо, чтобы термоэлектрод- 1о ные провода были изготовлены из того же материала, что и термоэлектроды термоэлектрического термометра ,(ТТ). Поэтому для ТТ из благородных металлов это не экономично, так как необходимо большое количество дефицитных и дорогостоящих материалов.

Применение других материалов не дает возможности получить градуировочные характеристики удлиняющих проводов идентичные градуировочной характеристике ТТ, что приводит к возникновению значительных погрешностей измерения.

Известны также устройства типа КТ для автоматической компенсации изменения термо"ЗДС ТТ, представляющие собой равноплечий мост, три плеча в котором выполнены из манганиновой проволоки, а четвертое - из медной.

Мост питается от источника стабилизированного напряжения и выходом включается в разрыв:между выходом TT u входом вторичного измерительного прибора f3).

Однако включение компенсационного устройства на входе прибора значительно ухудшает помехоустойчивость . измерения, и кроме того, различные модификации КТ обладают низкой точностью. Погрешность компенсации изменения термо-ЭДС в диапазоне измене" ния температуры свободных концов О50 С ниже +3оС.

Известно устройство, в котором с целью компенсации нелинейности градуировочной характеристики ТТ в диапазоне изменения температуры свободных концов в цепь питания компенса" ционного моста типа КТ включается

50 делитель напряжения, одно плечо ко.торого образовано дополнительным терморезистором, что позволяет повысить точность по сравнению с серийновыпускаемыми KT Г4 1.

Однако это устройство предполагает применение дополнительного терморезистора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для измерения температуры или других физических величин, содержащее датчик, например термоэлектрический термометр„ подключенный выходом к входу усилителя, выход которого через один из входов ключа связан с входом интегратора, соединенного через другой вход ключа с источником опорного напряжения, а выход интегратора подключен к входу нуль-органа. Последний выходом подключен к одному из входов селектора, к другому входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов, выход селектора связан с входом цифровой схемы линиаризации, соединенной своим выходом со входом цифрового отсчетного устройства, а также блок управления ES1.

Однако это устройство при работе с термоэлектрическими термометрами имеет недостаточно высокую точность измерения температуры из-за влияния на результат измерения изменений температуры свободных концов термоэлектрического термометра.

Кроме того, в известном устройстве на результат измерения влияет нестабильность порогосрабатывания нуль-органа, что требует для повышения точI ности измерения применять более сложные и дорогостоящие компараторы.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический термометр, усилитель, ключ, интегратор, нуль-орган, источник опорного напряжения, селектор, генератор тактовых импульсов, схему цифровой линеаризации, цифровое отсчетное устройство, а также терморезистор, преобразователь сопротивления в напряжение и блок управления, дополнительно введены вторая схема цифровой линеаризации., реверсивный счетчик импульсов и второй ключ, соединенный своими двумя входами соответственно с другим термоэлектродом термоэлектрического термометра и выходом преобразователя сопротивления в напряжение, а выход второго ключа подключен к другому входу усилителя, причем второй выход селектора соединен с входом второй схемы цифровой линеаризации, выходы которой

949351 подключены к вычитающему и суммирующему входам реверсивного счетчика импульсов, соединенного своим выходом с другим сигнальным входом блока управления, дополнительные выходы которого связаны с управляющими входами второго ключа и второй схемы цифровой линеаризации.

На фиг. 1 приведена схема устройства для измерения температуры; на 10 фиг. 2 " временная диаграмма его работы.

Устройство для измерения температуры содержит термоэлектрический термометр 1,. соединенный своими термоэлектродами, соответственно с первым входом второго ключа 2 и одним из входов усилителя. 3, другой вход которого связан с выходом второго ключа 2> а выход усилителя подключен к одному из входов первого ключа 4, соединенного своим выходом через интегратор 5 и один из выходов нуль-органа 6 к ос{йому из входов селектора

9, к другому входу которого подключенр

<выход генератора 8 тактовых импульсов, причем другой вход первого ключа 4 соединен с выходом источника 7 опорного напряжения. Цифровое отсчет. ное устройство 10 связано входом с выходом первой схемы 11 цифровой линеаризации, соединенной входом с одним из выходов селектора 9, другой выход которого подключен к входу второй схемы 12 цифровой линеаризации, 35 а выходы последней связаны с входами реверсивного счетчика 13 импульсов.

Терморезистор 14 четырехпроводной линией связи подключен к входу преобразователя 15 сопротивления в напряжение, связанного выходом с вторым входом второго ключа 2, а уп- равляющие входы второго ключа 2, первого ключа 4, селектора 9 и второй схемы 12 цифровой линеаризации соеди45 нены с соответствующими выходами блока 16 управления, причем сигнальные входы последнего связаны соответ- . ственно с другим выходом нуль-органа

6 и реверсивного счетчика 13 импульсов.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства сигналы с блока 16 управления открывают второй ключ 2 по второму входу, подклю чая выход преобразователя 15 сопротивления в напряжение к входу усилителя 3, а первый ключ 4 открывают по первому входу, подключая выход усилителя 3 к входу интегратора 5. Остальные узлы устройства приводятся в исходное состояние. Селектор 9 закрыт.

При этом на вход интегратора 5 поступает напряжение, равное

-О„ = X„U< (1) где К вЂ” коэффициент усиления усилителя 3;

U< — напряжение на выходе пресв образователя 15 сопротивления в напряжение, значение которого равно (2) U =К -йR сб и е61 где К

A. коэффициент преобразования преобразователя 15 сопрот тивления в напряжение; приращение сопротивления терморезистора 14 с изменением температуры Ос (3) О Т «КН О„Ж=КН К О,Т (4)

ИНТ„ Н „ Н у 0

;где ЙΠ— сопротивление терморезистора

14 при Оос;

d. — температурный коэффициент сопротивления терморезистора 14;

8 — температура свободных концов термоэлектрического термометра 1, поскольку терморезистор 14 размещается в непосредственной близости от свободных концов термоэлектрического термометра 1 и, таким образом, находится при той же температуре 8 в, что и свободные концы. Начальное смещение Ug с = КАРО компенсируется любым известным способом в преобразователе

15 сопротивления в напряжение.

Напряжение 0 интегрируется интегратором 5 (фиг. 2) в течение интервала времени Т, длительность которого выбирается равной периоду напряжения сети питания устройства и задается блоком 16 управления.

В конце интервала Т на выходе интегратора возникает напряжение

9493 где К = — { (, †.постоянная времени 1 интегратора 5).

После окончания интервала Т сигналы с блока 16 управления закрывают первый ключ 4 по первому входу и открывают по второму входу, подключая выход источника 7 опорного напряжения к входу интегратора 5, селектор

9 открывают для прохождения импульсов с генератора 8 тактовых импульсов в на вход второй схемы 12 цифровой линеаризации, а выход последней подключают к вычитающему входу реверсив ного счетчика 13.

Напряжение Up с выхода источника

7 опорного напряжения интегрируется в течение интервала времени t (фиг, 2) до момента, пока интегратор 5 не возвратится в исходное состояние, т. е. пока не выполнится 20 равенство

51 8 ход усилителя 3 к входу интегратора

5. Селектор 9 при этом закрывается.

На вход интегратора поступает усиленная усилителем 3 выходная термо-ЭДС, термоэлектрического термометра 1, значение которой равно

0 = КоЕ{Ох, Осц )х (8) где Е(6х, Вся) — выходная термо-ЭДС, термоэлектрического термометра 1;

Π— измеряемая температура;

8<> — температура свободных концов.

Значение Е(вх, Осв ) можно представить в таком виде е(дх 8ад) E(()Ä Одс) де(0 с Од ) () или

E. (e„,О С)=Е(9,1,9 )+д1- :(О С,9 ),(1О) где Е(вх, ООС) — термо-ЭДС термоэлектрического термометра 1 ори температуре свободных концов 0ОС и соответствующая (6) зо значениям, при которых градуирован прибор ) и Е(Вф 0 С} — поправка к термо-ЭДС термоэлектрического термометра 1 при отличии температуры свободных концов

9фаот ОвС, причем Вх 7 0 С и

В© >,,О С (что s большинстве случа= о

es имеет место при эксплуатации прибора). При этих условиях всегда Е(Эх о

В )<Е(дх, 0 С) и всегда выполняются соотновения (9) и (10).

Напряжение 0 интегрируется интегратором 5 (как и в предыдущем случае .

01} в течение интервала времени Т,, длительность которого задается блоком

16 управления.

В конце интервала Т на выходе ин. тегратора возникает напряжение Т

Т инт "> jU Ì =((„к„f (g„,()

О или с учетом (9) нт =К„К„Е(о„,о с)тЮНт И:у

-кн ку е.(0 с,все)T {«) К„Ов Т

05 г 0

1 инт„= инт(= КН p - gUptq (5) О 25

Интервал времени t определяют, приравнивая (4} и (5), откуда

В течение интервала t на вычитающий вход реверсивного счетчика 13 импульсов поступает количество им-пульсов

11 = f .t1t (7) где f< = Кце fa — частота импульсов, поступающих с выхода второй схемы 12 цифровой линеаризации;(К „, - функциональный коэффициент преобразования второй схемы 12 цифровой линеаризации; f< — частота импульсов гехератора 8 тактовых импульсов.

Таким образом, в конце интервала в реверсивном счетчике 13 импульсов зафиксируется код числа К .

Момент окончания интервала й1 фик.сируется нуль-органом 6, по выходному сигналу которого блок 16 управления своими сигналами закрывает второй ключ 2 по второму входу и открывает его по первому входу, подключая к

55 входу усилителя 3 термоэлектрический термометр 1, а первый ключ 4 за» крывает по второму входу, открывая его по первому входу, подключая выПосле окончания интервала Т сигналы с блока 16 управления закрывают пер9 9 т93 вый ключ 4 па первому входу и открывают его по второму входу, подключая выход источника 7 опорного напряжения к входу интегратора, а селектор 9 открывают для прохождения импульсов от генератора В тактовых импульсов на вход первой схемы 11 цифровой линеаризации.

Напряжение 0 с выхода источника

7 опорного напряжения интегрируется .КВ в течение интервала времени t до момента возвращения интегратора 5 в исходное состояние, т. е. пока не выполнится равенство

%. !

5 цинт = цинт = Кн Ugdt = KHU0t (1

3 ф о

Иомент окончания интервала 1 фик° сируется нуль-органом 6, по выходному сигналу которого блок 16 управления своим сигналом открывает селектор

9 для прохождения импульсов.от генератора 8 тактовых импульсов на вход второй схемы 12 цифровой линеаризации ие отключая первой схемы ll цифровой линеаризации, а выход второй схемы

12 цифровой линеаризации подключают к суммирующему входу реверсивного счетчика 13.

В момент окончания интервала at, когда на суммирующий вход реверсивного счетчика поступит И импульсов частотой f@, реверсивный счетчик перейдет в нулевое состояние и по его выходному сигналу блок 16 управления закроет селектор Я. прекращая поступление импульсов на входы первой и второй схем цифровой линеаризации, а все остальные узлы устройства переводятся в исходное состояние.

Ври этом на вход цифрового отсчетного устройства 10 поступает М импульсов с выхода первой схемы 11 цифровой

1 линеаризации и результат измерения индуцируется на цифровом табло циф1S рового отсчетного устройства 10.

Таким образом, результат измерения равен и = f< (t<+ a t), где fg.-= K ° fo — acToTa импульо сов, поступающих с выхода первой схемы 11 цифровой линеаризации (К@,,— функциональный коэффициент преобразования первой схемы 1.l цифровой линеа- ризации); — длительность второго такта интегрирования;

51 10 д t — интервал времени от момента срабатывания нуль-органа до момента перехода реверсивного счетчика импульсов в нулевое состояние.

Интервал времени t определяют, приравнивая (E 1) и (12)

К„Е(0, 8 )Т К Е(Вд, О С)

Цо Оо

К„аЕ(О С, 8 ) "т, р+)

ТЪ а интервал времени a t определяют, приравнивая количество импульсов, поступиваих на вычитающий и суммирующий входы реверсивного счетчика, т. е, К„Од -.Т и т = Ккт,4 ЕО < e К-» = КК д

0 о где Кц — постоянный коэффициент пре 3. образования второй схемы цифровой линеаризации при прохождении импульсов на суммирующий вход реверсивного счетчика.

Откуда

Кц ОВ„ з+.= — lc —" T (б)

Кц» о

Подставляя (1") и (15) в уравйение (13), получают ъ КцЕ(6х,(} С КуьЕ(0 С,бсв)

ЬК .1 т T+

И» 0 (1.

Н2 к 390

Обеспечивая равенство

:K

К 9 4 (О c3eñá)

Ц

Ц Т С9 что не трудно осуществить путем функциональногб изменения коэффициента пре бразоаания Кц.е второй схемы 12 цифровой линеаризации, исходя из заданной градуировочной характеристики hE,(0 С, 8 » ) термоэлектрического термометра, получают К„УО KÌ. T

:н " а (е„,ос}

Обеспечив Ки„.Е(вх, 0 С) = K Вх путем функционального изменения коэффициен11 9493 та преобразования К < первой схемы 11 ц .1 цифровой линеаризации, исходя иэ заданной градуировочной характеристики

E(e„, О С) термоэлектрического термометра, получают результат измерения

N, независящий от изменений температуры свободных концов Цс, т.е.

1 = Квх

1О

fo К т где К = — — — постоянный коэффици0 ент аналогоцифрового преобразования устройства.

Таким образом, за счет дополнитель-, ного введения в устройство для измерения температуры второго ключа, второй схемы цифровой линеаризации, реверсивного счетчика и соответствующих связей значительно повышена точность измерения температуры, поскольку автоматическая компенсация изменений термо-ЭДС термоэлектрического термометра, вызванных изменениями температуры его свободных концов, осуществляет. ся в цифровой форме после аналого-цифровых преобразований, а поэтому не требует, как в известных устройствах, формирования на входе устройства низких уровней компенсирующих напряжений.

30 что снижает точность и помехоустойчивость измерений.

Кроме того, в предлагаемом устройстве значительно снижены требования к стабильности порога срабатывания нульоргана, поскольку в результате опера- З ции вычитания влияние нестабильности порога срабатывания нуль-органа приходится только на один цикл преобразования, что нетрубно осуществить, применяя простые и. недорогостоящие компараторы. формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический термо45 метр, соединенный одним термоэлектродом с одним иэ входов усилителя, выход которого подключен к первому входу ключа, соединенного своим выходом через интегратор и один из выходов нуль-органа с одним из входов селектора, другой вход которого свя51 12 ф . зан с выходом генератора тактовых импульсов, а выход соединен с входом первой схемы цифровой линеариэации, подключенной выходом к входу цифрового отсчетного устройства, терморезистор, подсоединенный по четырехпроводной линии связи к входу преобразователя сопротивления .в напряжение, и блок управления, выхоцы которого связаны с управляющими входами ключа и селектора, один из сигнальных входов подключен к другому выходу нульоргана, источник опорного напряжения соединенный с вторым входом ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в него введены вторая схема цифровой линеаризации, ревер" сивный счетчик импульсов и второй ключ, соединенный своими двумя входами соответственно с другим термоэлектродом термоэлектрического термометра и выходом преобразователя сопротивления в напряжение, а выход второго ключа подключен к.другому входу усилителя, при этом второй выход селектора соединен с входом второй схемы цифровой линеаризации, выходы которой подключены к вычитающему и суммирующему входам реверсивного счетчика импульсов, соединенного своим выходом с другим сигнальным входом блока управления, дополнительные выходы которого связаны с управляющими входами второго ключа и второй схемы цифровой линеаризации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. И., "Энергия", 1978, с. 95.

2. Там же, с. 116-119.

3.. Там же, с. 185.

Авторское свидетельство СССР и 542917, кл. G 01 K 7/12, 1974.

5. Коолатай, Харконен. Цифровая линеаризация результатов измерения.

"Электроника", 1978, Н 15, с. 26-37 (прототип).

949351 им

Тираж 887. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 5729/24

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Н. Горшкова

Редактор Л. филиппова Техред М.Надь Корректор Н. Король